Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 4

Chia sẻ: Ajdka Ajsdkj | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

554
lượt xem 82
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Siêu cao có tác dụng tâm lý có lợi cho người lái, làm cho người lái tự tin điều khiển xe khi vào trong đường cong Siêu cao có tác dụng về mỹ học và quang học, làm cho mặt đường không bị cảm giác thu hẹp giả tạo khi vào đường cong v2 −μ g .R

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 4

Siêu cao có tác dụng tâm lý có lợi cho người lái, làm cho người lái tự tin điều - khiển xe khi vào trong đường cong Siêu cao có tác dụng về mỹ học và quang học, làm cho mặt đường không bị - cảm giác thu hẹp giả tạo khi vào đường cong 3.5.2 Độ dốc siêu cao v2 −μ Độ dốc siêu cao có thể tính được theo biểu thức isc = (3.12) g .R Như vậy, nếu V lớn và R nhỏ thì đòi hỏi độ dốc siêu cao lớn. Nếu chọn độ dốc siêu cao lớn, đối với những xe tải và xe thô sơ có tốc độ thấp có khả năng bị trượt xuống dưới, theo độ dốc mặt đường. Độ dốc siêu cao quá lớn đòi hỏi phải kéo dài đoạn nối siêu cao, điểm này sẽ gặp khó khăn đối với đường vùng núi vì sẽ không đủ đoạn chêm giữa 2 đường cong trái chiều. Độ dốc siêu cao khi thiết kế được tra trong quy trình phụ thuộc vào tốc độ thiết kế và bán kính đường cong. Bảng 3.1 [1] Độ dốc siêu cao (%) theo bán kính đường cong nằm (m) và tốc độ thiết kế (km/h) Isc %) Không làm 8 7 6 5 4 3 2 V(km/h) siêu cao 650 800 1000 1500 2000 2500 3500 ≥ 5500 120 ÷ 800 ÷ 1000 ÷ 1500 ÷ 2000 ÷ 2500 ÷ 3500 ÷ 5500 400 450 500 550 650 800 1000 ≥ 4000 100 ÷ 450 ÷ 500 ÷ 550 ÷ 650 ÷ 800 ÷ 1000 ÷ 4000 250 275 300 350 425 500 650 ≥ 2500 80 ÷ 275 ÷ 300 ÷ 350 ÷ 425 ÷ 500 ÷ 650 ÷ 2500 125 150 175 200 250 300 ≥ 1500 60 - ÷ 150 ÷ 175 ÷ 200 ÷ 250 ÷ 300 ÷ 1500 60 ÷ 75 75 ÷ 100 100 ÷ 600 ≥ 600 40 - - 30 ÷ 50 50 ÷ 75 75 ÷ 350 ≥ 350 30 - 25 ÷ 50 50 ÷ 75 75 ÷ 150 150 ÷ 250 ≥ 250 20 - TCVN 4054-05 quy định về độ dốc siêu cao: Độ dốc siêu cao lớn nhất : 8% - Độ dốc siêu cao nhỏ nhất : bằng độ dốc ngang mặt đường hai mái - Độ dốc siêu cao thông thường : 4% - Những đường cong có bán kính lớn R>Rksc thì không cần bố trí siêu cao - Ngoài ra, ở vùng núi, những đường cong ôm vực, cần có các biện pháp đảm bảo an toàn vì độ dốc siêu cao nghiêng về phía vực, có thể bố trí các tường phòng hộ, hoặc hạn chế độ dốc siêu cao đến 4%. Nhiều trường hợp người ta còn bố trí siêu cao ngược, quay về phía lưng đường cong (phía núi) 77
3.5.3 Đoạn nối siêu cao và các phương pháp nâng siêu cao Đoạn nối siêu cao được thực hiện với mục đích chuyển hoá một cách điều hoà từ mặt cắt ngang thông thường hai mái sang mặt cắt ngang đặc biệt có siêu cao. Việc chuyển hoá này sẽ làm phía lưng đường cong có độ dốc dọc phụ thêm if - Khi Vtt=20 ÷ 40 km/h thì if = 1%. - Khi Vtt ≥ 60 km/h thì if = 0,5%. Trước khi vào đoạn nối siêu cao cần có một đoạn dài 10m để nâng lề có độ dốc ngang bằng độ dốc ngang mặt đường, riêng phần lề đất không gia cố phía lưng đường cong vẫn dốc ra phía lưng đường cong. Đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trí trùng với đường cong chuyển tiếp. Khi không có đường cong chuyển tiếp, các đoạn nối này bố trí một nửa trên đường cong và một nửa trên đường thẳng 1. Phương pháp quay quanh tim đường Đây là phương pháp thường hay được sử dụng nhất, phương pháp này được quy định trong quy trình hiện hành TCVN 4054-05 [1] Trình tự các bước : Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc - ngang mặt đường in ; Tiếp tục quay cả mặt đường quanh tim đường cho đạt độ dốc isc. - Theo hình 3.5 có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : b(i + i ) bi h b b H mà H = isc + in = sc n ; L1 = 1 = n ; L2 = L1 Lsc = 2 2 2 if 2i f if từ đó suy ra các công thức : b.(i sc + in ) b(i sc − in ) b.in Lsc = ; L1 = L2 = L3 = Lsc − ( L1 + L2 ) = ; (3.13) 2i f 2i f 2i f Trong đó : b : chiều rộng mặt đường (m) L1: Chiều dài đoạn nâng lưng đường cong từ -in đến 0 L2: Chiều dài đoạn nâng lưng đường cong từ 0 đến in L3: Chiều dài đoạn nâng mặt đường từ in đến isc. 78
Hình3.5. Diễn biến nâng siêu cao và sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp quay quanh tim đường 79
b.(i sc + in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f = (3.14) 2 Lsc Bằng hình học tìm được công thức tính độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau : + Nếu x≤L1 thì mặt cắt nằm trong đoạn 1 : Độ dốc bên bụng đường cong i=in in ( L1 − x) Độ dốc bên lưng đường cong i = − L1 + Nếu L1≤x≤L1+L2 thì mặt cắt nằm trong đoạn 2 : Độ dốc bên bụng đường cong i=in in ( x − L1 ) Độ dốc bên lưng đường cong i = L2 + Nếu (L1+L2) ≤x≤ Lsc thì mặt cắt nằm trong đoạn 3 : i sc ( x − L1 ) x − ( L1 + L2 ) Độ dốc cả mặt đường i = ; hoặc i = in + (isc − in ). L2 + L3 L3 2. Phương pháp quay quanh mép đường Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc - in; Tiếp tục quay quanh mép trong mặt đường (khi chưa mở rộng) cho đạt độ dốc - isc. Bằng cách tương tự, theo hình 3.7 có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : b(i − i ) b.i sc b.in Lsc = L1 = L2 = ; L3 = Lsc − ( L1 + L2 ) = sc n ; (3.15) if 2i f if b.i sc Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f = (3.16) Lsc Tính toán độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cũng tương tự như phương pháp trên. 80
Hình 3.7 Diễn biến nâng siêu cao và sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp quay quanh mép trong mặt đường 81
3. Các phương pháp nâng siêu cao cho đường cao tốc, đường có dải phân cách. Đối với đường cao tốc, đường có nhiều làn xe thì có các phương pháp nâng siêu cao như hình 3.8. a. Hình 3.8a là mặt cắt ngang trên đoạn thẳng . b. Hình 3.8b quay quanh tim đường (tim phần dải phân cách giữa) chiều dài đoạn nối siêu cao và cách tính giống như phần 1 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường. c. Hình 3.8c nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 mép giữa đường giáp giải phân cách : Tương tự, có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : b.(i sc + in ) b(i − i ) b.i Lsc = ; L1 = L2 = n ; L3 = Lsc − ( L1 + L2 ) = sc n (3.17) if if if b.(i sc + in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f = (3.18) Lsc Độ dốc ngang mặt đường i tại mặt cắt bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau : + Nếu x≤L1 thì mặt cắt nằm trong đoạn 1 : Độ dốc phần đường bên trái (bên bụng) i=in in ( L1 − x) Độ dốc phần đường bên phải (bên lưng) i = − L1 + Nếu L1≤x≤L1 + L2 thì mặt cắt nằm trong đoạn 2 : Độ dốc phần đường bên trái i=in in ( x − L1 ) Độ dốc phần đường bên phải i = L2 + Nếu (L1+L2) ≤x≤ Lsc thì mặt cắt nằm trong đoạn 3 : i sc ( x − L1 ) Độ dốc nâng cả 2 phần trái và phải i = L2 + L3 d. Hình 3.8d quay quanh mép trong đường chiều dài đoạn nối siêu cao và cách tính giống như phần 2 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường. 82
83
e. Hình 3.8e nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 tim của từng phần đường : Chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng được tính như sau b.(i sc + in ) b(i − i ) b.i Lsc = ; L1 = L2 = n ; L3 = Lsc − ( L1 + L2 ) = sc n (3.19) 2i f 2i f 2i f b.(i sc + in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f = (3.20) 2 Lsc Độ dốc ngang mặt đường i tại mặt cắt bất kỳ trong đoạn nối siêu cao tính cũng tương tự như phần c trên. f. Hình 3.8f nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 mép ngoài của từng phần đường : Các công thức tính cũng giống như trường hợp hình 3.8c b.(i sc + in ) b(i − i ) b.i Lsc = ; L1 = L2 = n ; L3 = Lsc − ( L1 + L2 ) = sc n (3.21) if if if b.(i sc + in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f = Lsc Độ dốc ngang trong đoạn nâng siêu cao cũng tương tự. 4. Nhận xét : Tuỳ từng trường hợp cụ thể và tuỳ từng quan điểm mà chọn phương pháp - nâng siêu cao tính toán và bố trí đoạn nối siêu cao thích hợp. Phương pháp nâng siêu cao phụ thuộc vào địa hình, điều kiện và biện pháp thoát nước, chiều rộng mặt đường, kích thước và cấu tạo dải phân cách giữa, … Nên sử dụng phương pháp quay quanh tim đường để nâng siêu cao và bố trí - đoạn nối siêu cao. Với phương pháp này cao độ tim đường không thay đổi nên dễ dàng thể hiện trên trắc dọc và tổng quát được khi lập các chương thiết kế trên máy tính. Phương pháp này còn đặc biệt thuận lợi với trường hợp tuyến uốn lượn gồm nhiều đường cong ngược chiều liên tiếp. Với đường cao tốc, đường nhiều làn xe thì nên thiết kế theo các phương pháp - ở hình 3.8b và 3.8c các phương pháp này đảm bảo tạo được độ đều đặn về thị giác khi nhìn từ xa. 5. Trình tự tính toán nâng siêu cao : Xác định độ dốc siêu cao isc, độ dốc dọc phụ thêm if : Theo quy trình quy định - phụ thuộc vào cấp đường và bán kính đường cong. 84
Chọn phương pháp nâng siêu cao : Phương pháp nâng siêu cao phụ thuộc vào - địa hình, điều kiện thoát nước, chiều rộng mặt đường, kích thước và cấu tạo dải phân cách giữa, … Lựa chọn chiều dài đoạn bố trí siêu cao LSC : Thông thường chiều dài đoạn bố - trí này phụ thuộc vào địa hình và lấy bằng giá trị lớn nhất trong các giá trị tính toán : Chiều dài đoạn nối siêu cao - LSC, chiều dài đường cong chuyển tiếp - LCT, chiều dài đoạn nối mở rộng - LMR và theo bảng 3.2; là bội số của 5 (để dễ dàng cắm và thiết kế các mặt cắt ngang trong đường cong). Từ chiều dài LBT đã chọn tính lại if và tính các đoạn đặc trưng L1, L2, L3 - Tính độ dốc phần mặt đường trong đoạn nối siêu cao - Tính các độ dốc lề đường (lề đất, lề gia cố), độ dốc dải phân cách tại các mặt - cắt ngang trong đoạn nối siêu cao phụ thuộc vào độ dốc ngang mặt đường và phương pháp nâng siêu cao. Kết hợp tính toán đường cong chuyển tiếp và mở rộng trong đường cong thiết - kế trắc ngang trên cơ sở các độ dốc ngang đã xác định được. Bảng 3.2 [1] Độ dốc siêu cao isc và chiều dài đoạn chuyển tiếp nối siêu cao L(m) phụ thuộc vào bán kính đường cong R(m) và tốc độ thiết kế Vtk(km/h) Tốc độ thiết kế (km/h) 120 100 80 60 R isc L R isc L R isc L R isc L 650 ÷ 800 400 ÷ 450 250 ÷ 275 125 ÷ 150 0,08 125 0,08 120 0,08 110 0,07 70 800 ÷ 1000 450 ÷ 500 275 ÷ 300 150 ÷ 175 0,07 110 0,07 105 0,07 100 0,06 60 1000 ÷1500 500 ÷550 300 ÷ 350 175 ÷ 200 0,06 95 0,06 90 0,06 85 0,05 55 1500 ÷2000 550 ÷ 650 350 ÷ 425 200 ÷ 250 0,05 85 0,05 85 0,05 70 0,04 50 2000 ÷2500 650 ÷ 800 425 ÷ 500 250 ÷ 300 0,04 85 0,04 85 0,04 70 0,03 50 2500 ÷ 3500 800 ÷ 1000 500 ÷ 650 300 ÷ 1500 0,03 85 0,03 85 0,03 70 0,02 50 3500 ÷5500 1000 ÷ 4000 650 ÷ 2500 0,02 85 0,02 85 0,02 70 - - - Tốc độ thiết kế (km/h) 40 30 20 R isc L R isc L R isc L 0,06 35 0,06 33 0,06 20 65 ÷ 75 30 ÷ 50 15 ÷50 0,05 30 0,05 27 0,05 15 0,04 25 0,04 22 75 ÷100 50 ÷ 75 50 ÷ 75 0,04 10 0,03 20 0,03 17 100 ÷ 600 75 ÷ 350 75 ÷ 150 0,02 12 0,02 11 0,03 7 Ghi chú bảng 3.2: Trị số chiều dài L trong bảng áp dụng đối với đường hai làn xe. Đối với đường cấp I và II nếu đường có trên hai làn xe thì trị số trên phải nhân với 1,2 đối với ba làn xe; 1,5 đối với 4 làn xe và 2 đối với ≥ 6 làn xe. 85
3.6 MỞ RỘNG PHẦN XE CHẠY TRONG ĐƯỜNG CONG 3.6.1 Tính toán độ mở rộng Khi xe chạy trên đường cong, mỗi bánh xe chuyển động theo quỹ đạo riêng, chiều rộng dải đường mà ô tô chiếm trên phần xe chạy rộng hơn so với khi xe chạy trên đường thẳng. Để đảm bảo điều kiện xe chạy trên đường cong tương đương như trên đường thẳng, ở những đường cong có bán kính nhỏ cần phải mở rộng phần xe chạy. Hình 3.9. Sơ đồ mở rộng mặt đường trong đường cong Để xác định độ mở rộng ta giả thiết quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đường cong là đường tròn. Xét chuyển động của ô tô trong đường cong như A hình vẽ. Theo hệ thức LA e lượng tam giác vuông B C CAD ta có CB2 = AB.BD trong đó: 0 CB = LA – chiều dài từ đầu xe tới trục bánh xe sau, m; R AB = e – chiều rộng cần mở thêm của 1 làn xe, m; BD = 2R – AB ≈ 2R D Hình 3.10 . Sơ đồ tính độ mở rộng mặt đường trong đường cong 86
L2A e= Do đó: (3.22) 2R Công thức trên được xác định theo sơ đồ hình học mà chưa xét đến khả năng thực tế khi xe chạy, khi xe chạy với tốc độ cao, xe còn bị lắc ngang sang hai bên, như vậy ta phải bổ sung số hạng hiệu chỉnh : L2A 0,05.V e= + ,m (3.23) 2R R Độ mở rộng mặt đường E cho đường có 2 làn xe được tính gần đúng theo công thức: L2A 0,1.V E= + ,m (3.24) R R trong đó: V – tốc độ xe chạy, km/h. Đối với những đường cấp cao có bán kính lớn và được bố trí các đường cong chuyển tiếp clothoid phù hợp với quỹ đạo chạy xe nên không cần thiết phải bố trí mở rộng phần xe chạy. 3.6.2 Bố trí độ mở rộng mặt đường trong đường cong: Đoạn nối mở rộng làm trùng với đoạn nối siêu cao hoặc đường cong chuyển tiếp. Khi không có hai yếu tố này, đoạn nối mở rộng được cấu tạo: Một nửa nằm trên đường thẳng và một nửa nằm trên đường cong. - Trên đoạn nối, mở rộng đều (tuyến tính). Mở rộng 1m trên chiều dài tối thiểu - 10m. Độ mở rộng bố trí ở cả hai bên, phía lưng và bụng đường cong. Khi gặp khó khăn, có thể bố trí một bên, phía bụng hay phía lưng đường cong . Thông thường để mép mặt đường được trơn tru, êm thuận, thì trị số độ mở rộng En tại một điểm bất kỳ được tính theo công thức: En=(4K3-3K4)E (3.25) Trong đó: E là độ mở rộng trong đường cong tròn Ln K= với LMR là chiều dài đoạn nối mở rộng L MR Ln là khoảng cách từ đầu đoạn nối mở rộng đến điểm đang xét Phương của độ mở rộng là phương đường pháp tuyến của tim đường xe chạy. 87
Độ mở rộng được đặt trên diện tích phần lề gia cố. Dải dẫn hướng (và các cấu tạo khác như làn phụ cho xe thô sơ, …) phải bố trí phía tay phải của độ mở rộng. Nền đường khi cần phải mở rộng, đảm bảo phần lề đất còn ít nhất là 0,5 m. ® E/2 p t® tc E/2 p iÕ nt b uyÓ ch g on gc ên n® §u nc R O Hình 3.11 Bố trí mở rộng phần xe chạy về hai phía của đường cong Bảng 3.3 Độ mở rộng phần xe chạy 2 làn xe trong đường cong nằm, m.[1] Bán kính đường cong nằm (m) Dòng xe 250 ÷ 200 < 200 ÷ 150 < 150 ÷ 100 < 100 ÷ 70 < 70 ÷ 50 < 50 ÷ 30 < 30 ÷ 25 < 25 ÷ 20 Xe con 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,8 2,2 Xe tải 0,6 0,7 0,9 1,2 1,5 2,0 - - Xe moóc 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 - - - tỳ Khi phần xe chạy có trên 2 làn xe, thì mỗi làn xe thêm phải mở rộng 1/2 trị số trong bảng 3.11 và có bội số là 0,1 m. Các dòng xe có xe đặc biệt, phải kiểm tra lại các giá trị trong bảng 3.11. 3.7 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ ĐƯỜNG CONG TRÒN Trong thiết kế hình học đường, đường cong tròn được sử dụng để tổ hợp các đường cong clothoid và được sử dụng như một đường cong đơn giản. Sự sử dụng các đường cong tròn đơn giản để thiết kế đường cong do những nhược điểm đã biết chỉ nên hạn chế trong những trường hợp đặc biệt. Những trường hợp ấy có thể là: - Đường có tốc độ xe chạy thấp (V < 60km/h) - Đường cong ở những vị trí địa hình hạn chế đặc biệt, tại đó đường clothoid không phù hợp để làm đường cong chuyển tiếp. Các đường cong có góc chuyển hướng nhỏ (α ≤ 7 độ). - - Đường cong có bán kính rất lớn . 88
Đường cong tròn nhiều thành phần có phạm vi sử dụng giống như đường cong tròn. Bởi vậy đường cong nhiều thành phần cũng chỉ nên dùng trong những trường hợp đặc biệt (địa hình hạn chế). § § α α T T p p K P P TC TC T§ T§ α3 R 3 R R2 R1 α α1 α2 O a) §−êng cong trßn ®¬n gi¶n b) §−êng cong trßn nhiÒu thµnh phÇn Hình 3.12 Sơ đồ tính toán đường cong tròn Các công thức quen thuộc tính toán đường cong tròn đơn giản theo R và α: α T = R.tg Tiếp tuyến (3.26) 2 πRα 0 K= = R.α rad Chiều dài đường cong (3.27) 0 180 ⎛ ⎞ ⎜1 ⎟ p = R⎜ − 1⎟ Phân cự (3.28) ⎜ cos α ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 2 D = 2T − K Siêu cự (3.29) Đối với đường cao tốc khi chiều dài đường cong K quá ngắn thì lái xe phải đổi hướng tay lái luôn nên dễ gây nguy hiểm, mặt khác nhằm khắc phục ấn tượng đường bị gẫy phải đảm bảo chiều dài dường cong đủ lớn tối thiểu cho xe chạy trong 6s, tức là Kmin ≥ 1,67 V (V tính bằng km/h và Kmin tính bằng m) Đối với các đường cong có góc chuyển hướng nhỏ (α≤ 70) thì qua nghiên cứu nhận thấy nếu chiều dài đường cong quá ngắn, hình ảnh thị giác của đường cong thu nhận được sẽ bị bóp méo, sẽ thấy đường cong càng ngắn hơn thực, điều này rất nguy hiểm vì người lái xe tưởng đã hết đường cong nên chuyển tay lái và tăng tốc. Để khắc phục hiện tượng này cần phải thiết kế đường cong có đủ chiều dài sao cho phân cự p đủ lớn. Giá trị p được đảm bảo 2,0m; 1,75m; 1,5m và 1,0m tương ứng với các tốc độ thiết kế V=120km/h; 100km/h; 80km/h; 60km/h. 89
3.7.1 Lựa chọn bán kính đường cong tròn Bằng phân tích điều kiện xe chạy trong đường cong ở phần 3.4 và 3.5 rút ra được các công thức tính toán bán kính đường cong tròn giới hạn như sau: 1. Bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn V2 Rmin = ,m (3.30) 127.( μ + i sc max ) Trong đó: V - Tốc độ xe chạy tính toán (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,08-0,15 (chọn giá trị μ nhỏ đối với đường cấp cao và địa hình thuận lợi) iscmax - Độ dốc siêu cao lớn nhất 2. Bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường V2 = ,m (3.31) Rmin 127.( μ + i sctt ) Trong đó: V - Tốc độ xe chạy tính toán (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,05-0,08 isctt - Độ dốc siêu cao thông thường isctt=iscmax-2% 3. Bán kính đường cong nằm tối thiểu không cần bố trí siêu cao V2 Rksc = ,m (3.32) 127.( μ − in ) Trong đó: V - Tốc độ xe chạy tính toán (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,04-0,05 để cải thiện điều kiện xe chạy in - Độ dốc ngang mặt đường (in=2-4%) Lựa chọn bán kính đường cong nằm tính toán Đây là bài toán kinh tế-kỹ thuật, khi thiết kế cần vận dụng bán kính đường cong lớn để cải thiện điều kiện xe chạy, đảm bảo an toàn, tiện lợi đồng thời cũng đảm bảo giá thành xây dựng nhỏ nhất. Chỉ khi khó khăn mới vận dụng bán kính đường cong nằm tối thiểu, khuyến khích dùng bán kính tối thiểu thông thường trở lên, luôn tận dụng địa hình để nâng cao chất lượng chạy xe. Bán kính đường cong bằng được lựa chọn theo các nguyên tắc: - Lớn hơn các giá trị giới hạn 90
Phù hợp với địa hình, càng lớn càng tốt (thường R=3 đến 5 lần Rmin) - Đảm bảo sự nối tiếp giữa các đường cong - Đảm bảo bố trí được các yếu tố đường cong như : chuyển tiếp, siêu cao - Đảm bảo phối hợp hài hoà các yếu tố của tuyến, phối hợp tuyến đường với - cảnh quan. Quy định của TCVN 4054-05 các giá trị giới hạn của bán kính Bảng 3.4. Bán kính đường cong nằm tối thiểu [1] Cấp đường I II III IV V VI Tốc độ thiết kế 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 (km/h) Bán kính đường cong nằm: (m) - tối thiểu (giới 650 400 250 125 125 60 60 30 30 15 hạn) - tối thiểu thông 1000 700 400 250 250 125 125 60 60 50 thường - tối thiểu không 5500 4000 2500 1500 1500 600 600 350 350 250 siêu cao 3.7.2 Nối tiếp các đường cong tròn. Khi cắm tuyến nên tránh các bất ngờ cho người lái, các bán kính đường cong cạnh nhau không nên chênh lệch nhau quá (tốt nhất là không quá 1,5 lần). Sau một đoạn thẳng dài cũng không nên bố trí đường cong có bán kính quá nhỏ. Về mặt liên kết kỹ thuật, các trường hợp bố trí nối tiếp giữa các đường cong như sau: 1. Nối tiếp giữa hai đường cong cùng chiều: Hai đường cong cùng chiều có thể nối trực tiếp với nhau hoặc giữa chúng có một đoạn thẳng chêm tùy theo từng trường hợp cụ thể: Nếu hai đường cong cùng chiều không có siêu cao hoặc có cùng độ dốc siêu - cao thì có thể nối trực tiếp với nhau và ta có đường cong ghép (Hình 3.13a) Nếu hai đường cong cùng chiều gần nhau mà không có cùng độ dốc siêu cao: - + Giữa chúng phải có một đoạn thẳng chêm m đủ dài để bố trí hai đoạn nối L1 + L 2 siêu cao (Hình 3.13b), tức là: m ≥ 2 trong đó: L1 và L2 – chiều dài đoạn nối siêu cao của hai đường cong, m. + Nếu chiều dài đoạn thẳng chêm giữa hai đường cong không có hoặc không đủ thì tốt nhất là thay đổi bán kính để hai đường cong tiếp giáp 91
nhau và có cùng độ dốc siêu cao cũng như độ mở rộng theo độ dốc siêu cao và độ mở rộng lớn nhất. + Nếu vì điều kiện địa hình không thể dùng đường cong ghép mà vẫn phải giữ đoạn thẳng chêm ngắn thì trên đoạn thẳng đó phải thiết kế mặt cắt ngang một mái (siêu cao) từ cuối đường cong này đến đầu đường cong kia. 2. Nối tiếp giữa hai đường cong ngược chiều: (là hai đường cong có tâm quay về hai phía khác nhau). Hai đường cong ngược chiều có bán kính lớn không yêu cầu làm siêu cao thì - có thể nối trực tiếp với nhau. Trường hợp cần phải làm siêu cao thì chiều dài đoạn thẳng chêm phải đủ dài - để có thể bố trí hai đoạn ĐCCT hoặc hai đoạn nối siêu cao tức là L1 + L 2 m≥ (Hình 3.13c). Nếu điều kiện này không thoả mãn thì phải cắm 2 lại tuyến hoặc có các giải pháp hạn chế tốc độ. TC1=TÑ2 Ñ2 Ñ1 TC2 a) TÑ1 R1 R2 02 01 c) b) 02 R2 m TC2 Ñ2 TC1 TÑ2 Ñ1 TC1 Ñ1 Ñ2 TÑ2 m TC2 TÑ1 TÑ1 R1 R1 R2 01 01 02 Hình 3.13 Bố trí nối tiếp các đường cong tròn trên bình đồ a,b) Đường cong cùng chiều; c) Đường cong ngược chiều 92
3.8 ĐƯỜNG CONG CHUYỂN TIẾP 3.8.1 Tác dụng của đường cong chuyển tiếp Khi xe chạy từ đường thẳng vào đường cong, xe phải chịu các thay đổi - Bán kính ρ giảm dần từ +:ở ngoài đường thẳng đến R trong đường cong mv 2 Lực ly tâm C tăng dần từ 0 đến C = - R Góc α hợp thành giữa trục bánh trước và - LA trục xe tăng dần từ 0 đến α Những biến đổi đột ngột đó gây cảm giác khó chịu cho lái xe và hành khách và làm cho việc α điều khiển xe khó khăn hơn. Để đảm bảo tuyến đường phù hợp với quỹ đạo thực tế xe chạy và để đảm bảo điều kiện xe chạy không bị thay đổi đột ngột ở hai đoạn đầu R đường cong, người ta bố trí đường cong chuyển tiếp - ĐCCT. Quy trình Việt Nam, Trung Quốc và một số nước quy định với các đường có Vtt ≥ 60 km/h thì phải bố trí ĐCCT. Theo AASHTO thì chỉ thiết kế ĐCCT khi đường ô tô được thiết kế với tốc độ V ≥ 50 km/h Các tác dụng của ĐCCT Thay đổi góc ngoặt của bánh xe phía trước một cách từ từ để đạt được góc - quay cần thiết ở đầu đường cong tròn Giảm mức độ tăng lực ly tâm do đó tránh được hiện tượng người trên xe bị xô - ngang khi vào đường cong tròn Tuyến có dạng hài hoà, lượn đều không bị gãy khúc, phù hợp với quỹ đạo - thực tế xe chạy, tăng mức độ tiện lợi êm thuận và an toàn xe chạy. 3.8.2 Xác định chiều dài của ĐCCT Để cấu tạo ĐCCT người ta giả thiết: Tốc độ xe chạy trên ĐCCT không thay đổi và bằng Vtt - Trên suốt chiều dài của ĐCCT từ S=0 đến S=Lct gia tốc ly tâm thay đổi đều từ - v2 đồng thời bán kính đường cong ρ giảm dần từ +: đến R tỷ lệ bậc 0 đến R nhất với chiều dài ĐCCT. 93
Ta thấy, gia tốc ly tâm tăng đều tức là độ tăng của gia tốc ly tâm theo thời gian bằng hằng số : v2 I= (m / s 3 ) = const (3.33) Rt Trong đó: - Độ tăng của gia tốc ly tâm (m/s3) I v - Tốc độ xe chạy (m/s) R - Bán kính đường cong tròn Lct - Thời gian xe chạy từ đầu đến cuối ĐCCT ; t = t v v3 v3 Thay t vào (3.33) ta có I = ⇒ Lct = với [v]=m/s (3.34) RLct I .R V3 hoặc Lct = với [V]=km/h (3.35) 47.I .R Độ tăng của gia tốc ly tâm I theo thời gian được quy định tuỳ theo từng nước : 0,30-0,90 m/s3 - Theo quy trình Mỹ : 0,65-1,00 m/s3 - Pháp - Liên xô (cũ) và Việt Nam : 0,5 m/s3 : 0,8 m/s3 - Thụy Điển, Anh, Ý Như vậy, với I=0,5 m/s3 ta có công thức dùng để tính toán chiều dài tối thiểu của đường cong chuyển tiếp V3 Lct = (3.36) 23,5.R Chiều dài của ĐCCT còn được xác định từ điều kiện thời gian hành trình trên ĐCCT. Với lái xe có trình độ chuyên môn trung bình thì thời gian này bằng 3s và ta được công thức Lct = 3.v = 0,83V (m). 3.8.3 Nghiên cứu dạng hình học của đường cong chuyển tiếp Đường cong chuyển tiếp là đường cong quá độ có bán kính cong thay đổi dần thích ứng với quỹ đạo xe chạy biến đổi, được dùng khi nối đường thẳng với đường cong tròn hoặc giữa hai đường cong tròn có bán kính khác nhau. Có một số dạng đường cong toán học có thể thỏa mãn các yêu cầu trên với những mức độ nhất định. Đó là các đường cong xoắn ốc bức xạ hay gọi là clothoid; 94
đường hoa thị Lemniscat Becnulli; đường parabol bậc 3 và bậc 4,...Người ta sử dụng một phần của các đường cong toán học này để làm ĐCCT. Tiêu chuẩn để lựa chọn sử dụng loại đường cong toán học nào làm ĐCCT phụ thuộc vào 2 điều kiện cơ bản: Dạng đường cong phù hợp với quỹ đạo chuyển động của xe - Tính toán và cắm đường cong được đơn giản và dễ dàng - Dưới đây chúng ta nghiên cứu từng loại đường cong. 3.8.3.1Đường cong clothoid. 1. Phương trình của đường cong clothoid. Đường clothoid là đường phù hợp nhất để làm đường cong chuyển tiếp trong số các đường cong đã được nghiên cứu từ trước đến nay. Khi xây dựng các con đường ôtô có tốc độ tính toán từ 60km/h trở lên người ta sử dụng đường clothoid không chỉ để làm đường cong chuyển tiếp mà còn sử dụng làm yếu tố tuyến để làm đẹp thêm hình ảnh đường. Xét một điểm B bất kỳ trên đường cong chuyển tiếp có toạ độ cong tính từ gốc đường cong là S, tại đó có bán kính đường cong ρ, bán kính ρ này giảm dần đều từ +: (S=0) đến R (S=L). v3 v3 Ta có I = ⇒S= (3.37) ρ .S I .ρ v, I không đổi C C ⇒ρ= ⇒S= (3.38) ρ S Phương trình (3.38) là cơ sở lý thuyết để tính toán đường cong clothoid v3 Hằng số C = = L.R = A 2 và người ta gọi A là thông số Clothoid I Phương trình (2) được viết dưới dạng toạ độ cực, vì vậy việc cắm tuyến còn khó khăn. Người ta chuyển sang hệ toạ độ Descarte nhờ phương trình sau: S5 S9 X =S− + + .. 40 A4 3456 A8 (3.39) S3 S7 S 11 Y= − + + .. 6 A2 336 A6 42240 A10 Phương trình (3.39) hội tụ nhanh nên chỉ cần 2 số hạng đầu là đủ chính xác, nhưng đối với những đường cong dài thì phải tính tới 3 số hạng. Hiện nay phương trình (3.39) được lập sẵn trong máy tính cầm tay (PPC) để tính toạ độ ĐCCT ngoài thực tế. 95
+Y ρ= π +A c /s 2 L= 8 R=0 π 2 π +A A 2 ρ= grad 50 +L +X -X 0 §−êng tang chÝnh R= 8 -L L= _ 0 + π π -A 2 2 A ϕ L= 8 π R=0 -A 2 -Y a) Nghiªn cøu d¹ng ®−êng cong chuyÓn tiÕp b) §−êng clothoid trong täa ®é vu«ng gãc Hình 3.14 Sơ đồ tính đường cong chuyển tiếp Điểm cuối của ĐCCT có S=L ứng với toạ độ (X0, Y0) Góc φ hợp bởi tiếp tuyến của điểm cuối ĐCCT và đường tang chính được xác định như sau: L L dS dS S.dS L L ⇒ϕ=∫ =∫ dϕ = ⇒ϕ= , rad hay ϕ = 63,6620 , độ (3.40) ρ ρ 0C 2R 2R 0 Từ các biểu thức trên ta có thể lập các công thức thể hiện mối liên quan giữa thông số A, bán kính R, chiều dài đường cong clothoid L và góc tiếp tuyến φ như bảng sau: Bảng 3.5 Quan hệ giữa các yếu tố đường cong clothoid A L R φ L 2 A A2 RL 2R L R L L2 L 2R.ϕ 2φ 2ϕ 2A 2 A 2ϕ R 2φ A2 A 2R 2 2ϕ 2. Đặc điểm của đường cong clothoid. Thông số A của đường cong clothoid có chức năng giống hệt như bán kính R của đường cong tròn, nó phục vụ cho việc phóng to thu nhỏ đường cong. Có một số 96